能源新语智能型嵌入式电源方案提高汽车电控马达能效

 

全球环保意识日益高涨,促使车厂加速以电控马达取代传统机械马达,借此提高汽车能源效率并降低二氧化碳排放;对应这一发展,半导体商推出高整合的智能型嵌入式电源方案,让车厂仅须使用少量的组件,即可达到提升电控马达能效的目标。...



全球环保意识日益高涨,促使车厂加速以电控马达取代传统机械马达,借此提高汽车能源效率并降低二氧化碳排放;对应这一发展,半导体商推出高整合的智能型嵌入式电源方案,让车厂仅须使用少量的组件,即可达到提升电控马达能效的目标。

在现阶段汽车马达的发展趋势上,有越来越多的电子控制马达整合至现代汽车中。根据市调机构IHS统计,2012年总共有二十三亿个电控马达使用于汽车,该单位预测此数字将在2017年增加为二十九亿个,年复合成长率(CAGR)达5.7%,换句话说,每辆汽车平均使用约三十个电控马达。

据了解,目前这些马达约68%为直流有刷马达,15%则为直流无刷马达(BLDC),预计无刷马达的数量将大幅增加。

现阶段,已有半导体商瞄准该市场,以英飞凌为例,该公司已推出桥接驱动器嵌入式电源系列,提供高度整合以满足多种汽车应用对于智能型马达控制持续升高的需求。上述新款嵌入式电源装置将高效能微控制器(MCU)整合至单芯片,此芯片采用ARMCortex-M3处理器及非挥发性内存、模拟与混合信号周边、通讯接口,以及金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)闸极驱动器。

这种嵌入式电源IC是针对机电整合马达控制解决方案而设计,适用于各种马达控制应用,而这类应用必须采用小尺寸(SFF)封装,以及最少的外部组件,如图1所示。

 
图1 半导体厂商推出嵌入式电源IC,可适用于汽车应用中须节省空间与成本的智能型马达控制。


为降低二氧化碳排放电控马达数量跃升

汽车中的电动马达数量正在快速增加,因为传统机械马达逐渐由电控马达取代,借以提供创新的汽车架构,进一步满足能源效率,以及降低二氧化碳排放的需求。典型案例包括混合动力车(HEV)与电动车(EV)采用的怠速熄火功能,这种架构主要以分布式的机电整合马达控制解决方案作为基础。汽车制造商与代工业者需要强大、弹性且具有智能的马达驱动器集成电路(IC),让最终产品的尺寸与效能达到优化。目前市面上已经有半导体厂商发表嵌入式功率IC,其为完整的系统单芯片(SoC)解决方案,可以提供尺寸精巧且具有成本效益的机电整合马达控制设计。

朝向能源效率发展的趋势,已经明确指出汽车必须采用小型分布式负载。举例而言,包括暖气、通风或空调设备(Heating,Ventilation and Air Conditioning,HVAC)风机、引擎散热风扇、水/油帮浦、车窗升降机以及前后雨刷等。

分布式马达智慧可以提供具有创意的汽车设计,并且带来多项优点,例如减少缆线、减轻重量且仅需较少的空间、节省经常费用,并降低选项复杂性的平台解决方案、分布式计算能力及更先进的诊断功能、均衡的功率消耗及更优异的电磁兼容性(EMC)效能、提供专属功能以获得最佳的成本效能比,以及标准化的低成本物理层与处理程序。要实作分布式马达智能,创新的IC驱动器概念是关键所在。

据了解,已有半导体厂商的马达控制器IC,可以提供尺寸精巧、多合一的芯片解决方案,包含汽车应用经常使用的感测、控制及致动电动马达所需的各种功能,例如高级天窗、电动窗升降机、燃油/机油/水帮浦、HVAC风机、风扇等,同时可以降低系统成本。

智能型电源制造技术符合汽车认证标准

举例来说,英飞凌结合旗下专利且符合汽车认证标志的130纳米(nm)智能型电源制造技术,以及马达控制驱动器经验,提供嵌入式电源系列产品。大型硅基130nm双极CMOS-DMOS(BCD)技术,可将逻辑、模拟、内存及功率级有效率地整合至单芯片。

反之,过去的多芯片设计则需要独立的微控制器、桥接驱动器以及区域互联网络(LIN)收发器,因此现在的汽车系统供货商可通过仅需最少外部组件的马达控制设计而从中受惠。

据悉,该公司的嵌入式电源产品可将目前超过一百五十种的组件数降低至少于三十种,进而将马达控制的所有功能,以及相关外部组件整合至仅3cm2的印刷电路板(PCB)面积。因此,业者可整合马达周边的电子组件,达到真正的机电整合设计,如图2所示。
图2 市面上已有桥接驱动器可藉由降低外部组件数量以大幅节省物料清单成本。


智能型马达控制应用需要各种不同且复杂的马达控制方法,而这些方法是由能源效率、系统成本降低,以及舒适性等需求所决定。它必须支持不同的的马达控制算法,从传感器型区块整流,到高级的无传感器磁场导向控制(FOC)。新通过认证的汽车嵌入式电源系列产品设计,采用了ARMCortex-M3处理器,以因应上述智能型马达控制的挑战。

这类新款装置能在通常采用16位处理器的应用领域中,提供32位处理器才有的效能。藉由发展系统单芯片,结合微控制器与MOSFET闸极驱动器,以及所有必要的感测、控制及致动功能,这种产品将协助汽车系统供货商降低系统成本、提升可靠性,并降低系统层级复杂性,进而从中获益,如图3所示。
 
图3 新一代嵌入式电源产品可将超过150种的组件数降低至少于30种,藉以缩小PCB面积。


桥接驱动器提供PWM控制并可与各组件通讯

据了解,英飞凌的桥接驱动器--TLE987x/TLE986x均采用ARMCortex-M3处理器。周边组包括电流传感器、与截取/比较单元同步的连续渐进10位模拟数字转换器(ADC),以提供脉冲宽度调变(PWM)控制,以及16位定时器。

另外,并整合已通过认证的LIN收发器,使其能够与各组件以及通用输入/输出(I/O)进行通讯,通过LIN收发器可支持快速程序设计。

这两个系列皆包含芯片内建线性稳压器,以供应外部负载;闪存可从36kB扩充至128kB;可运作的电压范围从5.4伏特(V)到最高28V;整合式电荷泵可提供低电压运作,可程序电流搭配专利电流斜率控制,可为各种MOSFET提供优化的EMC特性,且仅使用了两个外部电容器。

相较于一般的电压靴带式技术,将可大幅节省物料清单(BOM)成本。上述的桥接驱动器皆可承受最高40V的负载突降状况,同时维持最低3.0V的供应电压运作,而且微控制器与闪存皆可完全正常运作。

这款嵌入式电源IC的其他功能,包括4K串行电子抹除式可复写只读存储器(EEPROM)仿真、8位模拟数字转换器(ADC)诊断、串行周边接口(SPI)、UART、供PWM产生信号以提供三相马达控制的定时器、芯片内建振荡器以及锁相回路(PLL),所有装置皆提供保护与诊断功能,例如可调整的漏源监控。并采用PG-VQFN封装尺寸,可节省PCB空间以缩减马达尺寸与重量。

优化三相与二相马达

TLE987x桥接驱动器系列,可以满足各种三相(BLDC)马达应用,例如燃油帮浦、HVAC风机、引擎冷却风扇、水帮浦、高效能帮浦与风扇,以及由LIN处理或由PWM控制的无传感器与有传感器(包含磁场导向控制)BLDC马达应用。TLE987x系列桥接驱动器包括六个整合的NFET驱动器,并经过优化以通过六个外部功率NFET驱动三相马达。

TLE986x系列经过优化,可以藉由四个NFET驱动器驱动二相直流马达,并且能提供多种应用,包括天窗、电动车升降机,以及通过NFETH-Bridge提供通用的智能型马达控制。

这两个桥接驱动器采用相同的MCU与周边,能在设计DC与BLDC马达控制应用时发挥综效。利用嵌入式电源系列产品,便能以有效且具成本效率的方式制造各种应用产品,包括低级的继电器马达控制到通过MOSFET的高级马达控制等。

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